一种应用于光伏系统MPPT的变步长扰动观察法

卷第 Vol.44第 44 1 期2010 年 1 月电力电子技术Power Electronics， No.1January， 2010定稿日期 2009-07-01作者简介 朱铭炼 （ 1985－ ）， 男 ， 江苏靖江人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为电力电子与电力传动 ， 功率电子变换 。1 引 言随着社会的发展，能源和环境成为人们面对的紧要问题 。 太阳能作为一种广泛分布的 “ 清洁可再生能源 ” ， 有很好的应用前景 。 但光电池的输出功率与日照强度及环境温度都有很大关系，故具有明显的非线性，需要在光伏器件和负载之间连接最大功率点跟踪（ MPPT） 电路， 以充分发挥光伏电池的功效 。目前实现 MPPT 的方法有恒定电压（ CV） 法， 扰动观察（ PO） 法及增量电导（ INC） 法等 。 CV 法利用光伏器件在最大功率点处的工作电压与器件开路电压的近似比例关系进行控制， 该方法控制精度低， 仅适用于小功率场合 。 PO 法的原理是扰动光伏系统的输出电压，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制， PO 法在稳态时， 只能在最大功率点（ MPP） 附近振荡运行，而且在日照强度突然变化时可能会产生跟踪错误 [1]。 INC 法利用光伏电池在 MPP 处输出功率对电压的导纳为零来跟踪 MPP， 该方法控制效果好， 控制稳定度高， 但是控制算法复杂， 对采样的精确度要求很高 [2]。综上所述， 以传统 PO 法为基础， 提出了一种变步长 PO 法， 以改善系统的启动特性 。 该方法在系统启动时能迅速跟踪到 MPP。 为提高系统跟踪效率， 工作在 MPP 附近时以小步长进行干扰； 外界环境变化剧烈时则以较大步长进行跟踪 。 实验结果表明， 该方法可以快速准确地跟踪外界环境变化， 提高对光伏电池的利用率 。2 光伏电池特性在光伏发电系统中， 光伏电池实际输出功率往往取决于 3 个因素 [3] 光照强度 E、 电池温度 T、 负载阻抗 。 光照强度主要影响光伏电池的短路电流， 对开路电压和 MPP 所对应电压影响很小 。 随着光强的增强， 短路电流变大， MPP 也提高 。 图 1a 示出相同温度 、 不同光照强度下光伏电池的 P-V 曲线 。光伏电池的温度主要影响其开路电压，而对短路电流的影响较小 。 随着电池温度的升高， 开路电压降低， MPP 也随之降低 。 图 1b 示出相同光照强度，不同温度下光伏电池的 P-V 曲线 。在一定光照强度和温度条件下不同负载阻抗也就对应着不同的输出功率 。 在某一负载阻抗点上， 光伏电池对应的输出功率最大， 该点即最大功率点 。 所以负载阻抗对光伏电池的输出功率有着重要的影响 。 由于光伏电池的外部环境， 如光照强度和温度是一种应用于光伏系统 MPPT 的变步长扰动观察法朱铭炼 ， 李臣松 ， 陈 新 ， 龚春英（ 南京航空航天大学， 江苏 南京 210016）摘要 太阳能光伏阵列的输出功率随外界环境因素的变化而变化， 为了能高效利用太阳能电池， 需要进行光伏阵列的最大功率点跟踪（ Maximum PowerPoint Tracking， 简称 MPPT） 。 扰动观察法以其简单有效而得到了广泛应用 。 提出了一种新颖的变步长扰动观察法， 对传统方法的动态特性进行优化 。 在 Matlab/Simulink 下进行了系统的建模与仿真，并进行了实验研究 。 结果表明， 该方法能快速准确地跟踪外部环境变化， 并能保证系统的稳定性 。关键词 光伏电池； 最大功率点跟踪； 扰动观察法； 变步长中图分类号 TK519 文献标识码 A 文章编号 1000-100X （ 2010） 01-0020-03A Variable Step Size PO MPPT Method for PV SystemsZHU Ming-lian ， LI Chen-song， CHEN Xin ， GONG Chun-ying（ Nanjing University of Aeronautics Astronautics， Nanjing 210016， China）Abstract The output of photovoltaic （ PV） array is affected by the environmental factors such as irradiation and tempera-ture， so an effective maximum power point tracking（ MPPT） method of PV array is necessary.A novel variable step sizeperturbation and observation（ PO） method is proposed to improve the transient characteristics of the traditionary PO.The simulation model of system is established， and the experiment is implement.The experimental results show that themethod can track the maximum power point fast and exactly， and ensure the steadystate characteristics of PV systems.Keywords photovoltaic cell； maximum power point tracking； perturbation and observationmethod； variable step size图 1 光伏电池 P-V 曲线图 5 MPPT测试电路系统不稳定 。图 4 变步长 PO 仿真结果图 3 变步长 PO 控制流程图卷第 Vol.44第 44 1 期2010 年 1 月电力电子技术Power Electronics， No.1January， 2010行小扰动 。 图 6b 模拟太阳能电池开路电压骤变的情况， t0 为启动时刻， 在 t1 时刻， 将 DC 电压骤降至 50 V，Boost 输入端电压在 20 s 后跟踪到 24.5 V 左右， 然后在 t2 时刻，将 DC 电压骤升至 60 V， Boost 输入端电压在 10 s 后跟踪到 29.5 V 左右 。 图 6c 模拟太阳能电池短路电流急剧变化的恶劣情况，在 t1 时刻迅速增大滑动变阻器的值， 使 DC 源输入电流减小， 在 t2， t3时刻又迅速减小滑动变阻器的值， 使 DC 源输入电流迅速增加，由实验波形可见，系统始终能够控制Boost 输入端电压在 DC 电压的一半， 而没有变化 。实验结果表明， 系统开机跟踪速度快； 在外界环境相对稳定的情况下，系统输出具有良好的稳定性； 在外部环境突变的情况下， 系统能快速跟踪上最大功率点， 然后稳定地工作 。 实验结果表明， 变步长PO 法具有良好的动态性能和稳态性能 。6 结 论变步长扰动观察法在开机时通过采样光伏电池开路电压值乘以一经验比例值作为初始基准，开机后能迅速跟踪上最大功率点； 在外界环境变化剧烈时， 采用较大步长进行扰动， 能快速跟踪外部环境的变化， 提高了系统的动态性能； 当系统接近最大功率点时采用很小的步长进行扰动， 减小了功率的振荡，提高了系统的跟踪效率 。 Matlab 仿真与实验结果均表明， 该方法具有较好的动态性能和稳态性能， 有较好的实用价值 。参考文献[1] 徐鹏威， 刘 飞， 段善旭， 等 ． 几种光伏系统 MPPT 方法的分析比较及改进 [J]． 电力电子技术， 2007， 41（ 5） 3-5.[2] 张 超， 何湘宁 ． 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用 [J].中国电机工程学报， 2006，26（ 20） 98-102.[3] LIU Fang-rui， DUAN Shan-xu， LIU Fei， et al.A Variable StepSize INC MPPT Method for PV Systems[J].IEEE Trans. onIndustrial Electronics， 2008， 55（ 7） 2622-2628.[4] Wen-Jung Chiang， Hurng-Liahng Jou， Jinn-Chang Wu.Max-imum Power Point Tracking Method for the Voltage-modeGrid-connected Inverter of Photovoltaic Generation System[A].IEEE International Conf. on Sustainable Energy Tech-nologies[C].2008 24-27.[5] 欧阳名三， 余世杰， 沈玉樑 ． 一种太阳能电池 MPPT 控制器实现及测试方法的研究 [J]． 电子测量与仪器学报， 2004，18（ 2） 30-34.图 6 实验波形（ 上接第 7 页 ） 很好跟踪 i p 的基波， 加入逆变器后， i p 的谐波得到有效抑制 。 由 T 网侧电压波形可见， T 网侧电压主要由谐波电压构成，其波形中基本看不到基波分量 。 由 ugs2 波形可见， 开关管开关频率适中， 说明逆变器滤波电感 、 直流母线电压等参数设计合理 。6 结 论研究了一种可用于航空电网的串联混合有源电力滤波器， 在分析其工作原理的基础上， 着重对逆变器的容量进行了估算，对逆变器直流母线电压的选取进行了分析， 实现了逆变器参数设计的优化， 最后通过实验， 证明了理论分析的正确性 。参考文献[1] 姚为正， 王 群， 刘进军， 等 .采用负载电压检测控制方式的串联型电力有源滤波器 [J].电工技术学报， 1999， 14（ 4） 53-58.[2] 姚为正， 刘进军， 王 群， 等 .采用检测电源电流控制方式的串联型有源电力滤波器 [J].西安交通大学学报， 1999，33（ 10） 1-5.[3] 周雒维， 张 东， 杜 雄， 等 一种新型的串联型有源电力滤波器 [J].中国电机工程学报， 2005， 25（ 14） 41-45.[4] 付 青， 罗 安， 王莉娜 .基于自适应智能控制的混合有源电力滤波器复合控制 [J].中国电机工程学报， 2005， 25（ 14） 46-51.[5] LIi Da-yi， CHEN Qiao-fu， JIA Zheng-chun， et al.ANovel ActivePowerFilter with Fundamental Magnetic Flux Compensation[J].IEEETrans.onPowerDelivery， 2004， 19（ 2） 799-805.[6] T C Green， J H Marks.Ratings of Active Power Filters [J].IEE Proc. on Electric Power Application ， 2003， 150（ 5） 607-613.图 3 实验波形22